CN106655949B - 永磁同步电机的控制系统、控制方法及无人飞行器 - Google Patents

永磁同步电机的控制系统、控制方法及无人飞行器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机的控制系统，包括坐标变换单元、控制单元、信号处理单元和逆变器；坐标变换单元用于将三相定子电流Ia、Ib和Ic转换成d‑q同步旋转坐标系下的实际定子电流Id和Iq；控制单元用于将给定定子电流Idref和实际定子电流Id计算输出给定d轴电压Udref；信号处理单元用于将给定d轴电压Udref和给定q轴电压Uqref处理调制成控制信号；逆变器用于将控制信号调制定子三相对绕组的实际电流，并驱动所述永磁同步电机运行。本发明的永磁同步电机的控制系统仅包括一个电流环，减小了控制系统中的参数计算和调节，从而提高了永磁同步电机的控制系统的动态响应速度。

Description

永磁同步电机的控制系统、控制方法及无人飞行器
技术领域
本发明涉及永磁同步电机控制技术领域，特别是涉及一种永磁同步电机的控制系统、控制方法及无人飞行器。
背景技术
永磁同步电机由于具备功率密度高、体积小、不需要励磁、功率因素高以及位置控制精度高等优点，在高性能控制系统中得到了越来越广泛的应用。
现有的永磁同步电机的控制系统包括外环速度环和内环电流环，所述外环速度环产生定子电流的给定值，所述内环电流环得到实际控制信号，从而使现有的永磁同步电机控制系统构成一个双闭环系统。
然而，在实现本发明实施例的过程中，发明人发现在现有永磁同步电机控制系统的实现过程中，由于外环速度环和内环电流环中参数过多，需要进行大量的参数计算和调节，从而降低了控制系统的动态响应速度。
发明内容
本发明实施方式主要解决的技术问题是提供一种永磁同步电机控制系统、控制方法及无人飞行器，其能够提高永磁同步电机控制系统的动态响应速度。
为解决上述技术问题，本发明实施方式采用的一个技术方案是：提供一种永磁同步电机的控制系统，包括坐标变换单元、控制单元、信号处理单元和逆变器；
所述坐标变换单元用于将三相定子电流Ia、Ib和Ic转换成d-q同步旋转坐标系下的实际定子电流Id和Iq；
所述控制单元用于将给定定子电流Idref和所述实际定子电流Id计算输出给定d轴电压Udref；
所述信号处理单元用于将所述给定d轴电压Udref和给定q轴电压Uqref处理调制成控制信号；
所述逆变器用于将所述控制信号调制所述定子三相对绕组的实际电流，并驱动所述永磁同步电机运行。
在其中一些实施方式中，所述控制单元包括减法器和电流环积分分离PI调节器；所述减法器用于计算所述给定定子电流Idref和所述实际定子电流Id的差值；所述电流环积分分离PI调节器用于将所述差值进行比例、积分计算，得到所述给定d轴电压Udref。
在其中一些实施方式中，所述信号处理单元包括Park逆变换单元和空间矢量调制器；所述Park逆变换单元用于将所述给定d轴电压Udref和所述给定q轴电压Uqref转换成αβ两相静止坐标系下的电压分量Uα和Uβ；所述空间矢量调制器用于对所述电压分量Uα和Uβ计算处理，输出脉宽控制信号。
在其中一些实施方式中，所述坐标变换单元包括Clarke变换单元和Park变换单元；所述Clarke变换单元用于将三相定子电流Ia、Ib和Ic转换成αβ两相静止坐标系下的定子电流Iα和Iβ；所述Park变换单元用于将所述定子电流Iα和Iβ转换成d-q同步旋转坐标系下的定子电流Id和Iq。
本发明还提供一种无人飞行器，包括机身和安装于所述机身上的永磁同步电机，所述永磁同步电机包括上述任一项所述的永磁同步电机的控制系统。
本发明还提供一种永磁同步电机的控制方法，包括：
将三相定子电流Ia、Ib和Ic转换成d-q同步旋转坐标系下的实际定子电流Id和Iq；
输入给定定子电流Idref，并根据所述给定定子电流Idref和所述实际定子电流Id计算输出给定d轴电压Udref；
输入给定q轴电压Uqref，并根据所述给定d轴电压Udref和所述给定q轴电压Uqref处理调制成控制信号；
将所述控制信号调制所述永磁同步电机的定子三相对称绕组的实际电流，驱动所述永磁同步电机运行。
在其中一些实施方式中，所述控制方法还包括将所述永磁同步电机的控制系统进行标幺化。
在其中一些实施方式中，所述永磁同步电机控制系统以所述永磁同步电机的额定电压和额定电流为基准值进行标幺化处理，所述给定q轴电压Uqref的大小与永磁同步电机的给定转速ωref的大小相等。
在其中一些实施方式中，先将所述给定定子电流Idref和所述实际定子电流Id计算差值，再对所述差值进行比例、积分计算，得到所述给定d轴电压Udref。
在其中一些实施方式中，所述给定定子电流Idref和所述给定q轴电压Uqref通过数字信息处理系统输出。
本发明实施方式的有益效果是：本发明的永磁同步电机的控制系统的控制单元仅包括一个电流环，减小了永磁同步电机的控制系统中的参数计算和调节，从而提高了永磁同步电机的控制系统的动态响应速度。
附图说明
图1是本发明实施方式的永磁同步电机的矢量控制系统框图。
图2是本发明实施方式的永磁同步电机的控制方法流程图。
图3是采用图1所示的永磁同步电机的矢量控制系统的实验结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当一个元件被称为“电连接”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“电连接”另一个元件，它可以是接触连接，例如，可以是导线连接的方式，也可以是非接触式连接，例如，可以是非接触式耦合的方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
图1示出了本发明实施方式的永磁同步电机100的控制系统框图，包括坐标变换单元101、控制单元103、信号处理单元105以及逆变器107。逆变器107的输出端与永磁同步电机100的输入端连接，坐标变换单元101的输入端连接在逆变器107和永磁同步电机100之间，坐标变换单元101的输出端与控制单元103的输入端连接，控制单元103的输出端与信号处理单元105的输入端连接，信号处理单元105的输出端与逆变器107的输入端连接。
在进一步描述永磁同步电机100的控制系统的工作过程之前，值得说明的是，本发明实施方式中，永磁同步电机100的控制系统已经进行标幺化处理，以使采用标幺值表示的形式与实际值表示的形式一致。本发明实施方式中，优选永磁同步电机100的额定电压和额定电流作为永磁同步电机100的控制系统的基准值进行标幺化，其他物理量均可由所述两个基准值推算出来。由于本领域普通技术人员结合本发明实施例，可以理解永磁同步电机的控制系统的标幺化处理，故在本发明实施方式中不再进行赘述。
坐标变换单元101用于将永磁同步电机100的三相定子电流Ia、Ib和Ic转换成d-q同步旋转坐标系下的定子电流Id和Iq。具体来说，坐标变换单元101包括用于将三相定子电流Ia、Ib和Ic转换到αβ两相静止坐标系下的定子电流Iα和Iβ的变换单元，即Clark变换单元1011，以及用于将定子电流Iα和Iβ转换到d-q同步旋转坐标系下的定子电流Id和Iq的变换单元，即Park变换单元1012。
控制单元103用于根据给定定子电流Idref和实际定子电流Id计算输出给定d轴电压Udref，即控制单元103包括一个电流环。本发明实施方式中，控制单元103包括减法器1031和电流环积分分离PI调节器1032。具体来说，首先，上位系统输入给定定子电流Idref至减法器1031，同时坐标变换单元101输出实际定子电流Id至减法器1031；其次，减法器1031根据给定定子电流Idref和实际定子电流Id得出的差值；再其次，减法器1031将所述差值输出至电流环积分分离PI调节器1032，电流环积分分离PI调节器1032对所述差值进行比例、积分计算，得到所述给定d轴电压Udref。本发明实施方式中，给定定子电流Idref＝0。本发明中的术语“上位系统”是指与永磁同步电机100的控制系统通信连接的其他系统，例如数字信息处理系统。
信号处理单元105用于根据控制单元103输出的所述给定d轴电压Udref和上位系统输出的给定q轴电压Uqref处理调制成控制信号。本发明实施方式中，信号处理单元105包括Park逆变换单元1051和空间矢量调制器1052。具体来说，首先，Park逆变换单元1051将所述给定d轴电压Udref和所述给定q轴电压Uqref转换成αβ两相静上坐标系下的电压分量Uα和Uβ；其次，Park逆变换单元1051将电压分量Uα和Uβ输出至空间矢量调制器1052，空间矢量调制器1052对所述电压分量Uα和Uβ计算处理，输出脉宽控制信号。可以理解的是，信号处理单元105也可以仅包括空间矢量调制器1052，也就是说，所述给定d轴电压Udref和所述给定q轴电压Uqref直接输入空间矢量调制器1052，并由空间矢量调制器1052计算处理，输出脉宽控制信号。本发明实施方式中，上位系统输出的给定q轴电压Uqref的大小与永磁同步电机100的给定转速ωref的大小相等。
逆变器107用于根据信号处理单元105输出的控制信号，得到控制定子三相对称绕组的实际电流，驱动永磁同步电机100运行。
本发明中，永磁同步电机100的控制系统的控制单元103仅包括一个根据给定定子电流Idref和实际定子电流Id计算输出给定d轴电压Udref的电流环，再根据上位系统输出的给定q轴电压Uqref，即可由信号处理单元105得到控制信号，并进一步经逆变器107驱动永磁同步电机100运行。由于控制单元103中仅包括一个电流环，减小了永磁同步电机100的控制系统中的参数计算和调节，从而提高了永磁同步电机100的控制系统的动态响应速度。
本发明实施方式还提供一种无人飞行器，所述无人飞行器包括机身、安装于所述机身上的永磁同步电机100，永磁同步电机100用于给所述无人飞行器提供动力。所述无人飞行器上的永磁同步电机100包括本发明的永磁同步电机100的控制系统，由于所述控制系统仅包括一个电流环，减小了永磁同步电机100的控制系统中的参数计算和调节，提高了永磁同步电机100的控制系统的动态响应速度，从而提高了所述无人飞行器的快速响应速度。
请参阅图2，本发明实施方式还提供一种采用上述永磁同步电机100的控制系统的控制方法，包括以下步骤：
S1，将永磁同步电机100的控制系统进行标幺化。
本发明实施方式中，优选永磁同步电机100的额定电压和额定电流作为永磁同步电机100的控制系统的基准值进行标幺化。
S2，将三相定子电流Ia、Ib和Ic转换成d-q同步旋转坐标系下的实际定子电流Id和Iq。
本发明实施方式中，先将三相定子电流Ia、Ib和Ic通过Clark变换转换到αβ两相静上坐标系下的定子电流Iα和Iβ，再通过Park变换将定子电流Iα和Iβ转换到d-q同步旋转坐标系下的实际定子电流Id和Iq。
S3，输入给定定子电流Idref，并根据所述给定定子电流Idref和实际定子电流Id计算输出给定d轴电压Udref。
本发明实施方式中，先将给定定子电流Idref和实际定子电流Id通过减法器1031计算差值，再通过电流环积分分离PI调节器1032对所述差值进行比例、积分计算，得到所述给定d轴电压Udref。
S4，输入给定q轴电压Uqref，并根据所述给定d轴电压Udref和所述给定q轴电压Uqref处理调制成控制信号。
本发明实施方式中，先将所述给定d轴电压Udref和所述给定q轴电压Uqref通过信号处理单元105的Park逆变换单元1051转换成αβ两相静上坐标系下的电压分量Uα和Uβ；再通过空间矢量调制器1052对所述电压分量Uα和Uβ计算处理，输出脉宽控制信号。本发明实施方式中，上位系统输出的给定q轴电压Uqref的大小与永磁同步电机100的给定转速ωref的大小相等。
S5，将所述控制信号调制永磁同步电机100的定子三相对称绕组的实际电流，驱动永磁同步电机100运行。
可以理解的是，上述控制方法中的步骤S1也可以取消，当S1取消后，步骤S4中的给定q轴电压Uqref的值可以根据控制需求进行设定。
本发明的永磁同步电机100的控制方法中，仅需要输入给定定子电流Idref，并根据所述给定定子电流Idref和实际定子电流Id计算输出给定d轴电压Udref；再根据给定d轴电压Udref和给定q轴电压Uqref处理调制即可得到控制信号，减小了永磁同步电机100的控制系统中的参数计算和调节，从而提高了永磁同步电机100的控制系统的动态响应速度。
请参阅图3，示出了采用本发明实施方式的永磁同步电机100的控制系统的永磁同步电机的实验结果。
图3为在永磁同步电机增速过程对定子三相对称绕组的实际电流和逆变器107中输入的控制信号波形记录，其中，实际电流波形200为平滑的正弦波，所述控制信号形成的调制波形300为马鞍波。从图3中可以看出，实际电流波形200与调制波形300同步度非常高，也就是说，永磁同步电机的控制系统具有优良的动态响应速度，满足对动态响应速度的负载，例如无人飞行器对于永磁同步电机的控制系统的要求。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括坐标变换单元、控制单元、信号处理单元和逆变器；
所述坐标变换单元用于将三相定子电流Ia、Ib和Ic转换成d-q同步旋转坐标系下的实际定子电流Id和Iq；
所述控制单元用于将给定定子电流Idref和所述实际定子电流Id计算输出给定d轴电压Udref，所述给定定子电流Idref＝0；
所述信号处理单元用于将所述给定d轴电压Udref和给定q轴电压Uqref处理调制成控制信号，所述给定q轴电压Uqref的大小与永磁同步电机的给定转速ωref的大小相等；
所述逆变器用于将所述控制信号调制所述定子三相对称绕组的实际电流，并驱动所述永磁同步电机运行。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机的控制系统，其特征在于，所述控制单元包括减法器和电流环积分分离PI调节器；所述减法器用于计算所述给定定子电流Idref和所述实际定子电流Id的差值；所述电流环积分分离PI调节器用于将所述差值进行比例、积分计算，得到所述给定d轴电压Udref。
3.根据权利要求1或2所述的永磁同步电机的控制系统，其特征在于，所述信号处理单元包括Park逆变换单元和空间矢量调制器；所述Park逆变换单元用于将所述给定d轴电压Udref和所述给定q轴电压Uqref转换成αβ两相静止坐标系下的电压分量Uα和Uβ；所述空间矢量调制器用于对所述电压分量Uα和Uβ计算处理，输出脉宽控制信号。
4.根据权利要求1或2所述的永磁同步电机的控制系统，其特征在于，所述坐标变换单元包括Clarke变换单元和Park变换单元；所述Clarke变换单元用于将三相定子电流Ia、Ib和Ic转换成αβ两相静止坐标系下的定子电流Iα和Iβ；所述Park变换单元用于将所述定子电流Iα和Iβ转换成d-q同步旋转坐标系下的定子电流Id和Iq。
5.一种无人飞行器，包括机身和安装于所述机身上的永磁同步电机，其特征在于，所述永磁同步电机包括如权利要求1-4中任一项所述的永磁同步电机的控制系统。
6.一种永磁同步电机的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
将三相定子电流Ia、Ib和Ic转换成d-q同步旋转坐标系下的实际定子电流Id和Iq；
输入给定定子电流Idref，并根据所述给定定子电流Idref和所述实际定子电流Id计算输出给定d轴电压Udref，所述给定定子电流Idref＝0；
输入给定q轴电压Uqref，并根据所述给定d轴电压Udref和所述给定q轴电压Uqref处理调制成控制信号，所述给定q轴电压Uqref的大小与永磁同步电机的给定转速ωref的大小相等；
将所述控制信号调制所述永磁同步电机的定子三相对称绕组的实际电流，驱动所述永磁同步电机运行。
7.根据权利要求6所述的永磁同步电机的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括将所述永磁同步电机的控制系统进行标幺化。
8.根据权利要求7所述的永磁同步电机的控制方法，其特征在于，所述永磁同步电机控制系统以所述永磁同步电机的额定电压和额定电流为基准值进行标幺化处理。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的永磁同步电机的控制方法，其特征在于，先将所述给定定子电流Idref和所述实际定子电流Id计算差值，再对所述差值进行比例、积分计算，得到所述给定d轴电压Udref。
10.根据权利要求6至8中任一项所述的永磁同步电机的控制方法，其特征在于，所述给定定子电流Idref和所述给定q轴电压Uqref通过数字信息处理系统输出。
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